Почему гелиевый шарик на холоде сжимается, хотя газ остаётся внутри оболочки

Коротко

Холод уменьшает объём шарика, но количество гелия при этом не меняется
Сжатие обратимо: в тепле шарик может снова расправиться без подкачки
Подъёмная сила зависит от объёма шара, плотности воздуха и веса оболочки
Опускание шарика без утечки возможно, если остывает и окружающий воздух
Утечка означает уменьшение количества газа из-за прохождения через латекс

На морозе шарик в руке заметно сморщился — почему он стал меньше, если гелий остался внутри?

Вы сможете отличить сжатие от утечки по тому, как шарик ведёт себя после возвращения домой.

Кажется, уменьшился шар — значит, газа в нём стало меньше. Но тогда почему в тепле он может снова расправиться без всякой подкачки?

Почему холод сжимает шарик

Количество гелия может не меняться, хотя шар становится меньше. При охлаждении молекулы движутся медленнее и слабее давят на стенки. Наружный воздух и натяжение оболочки сжимают шар до нового равновесия: тому же количеству газа теперь соответствует меньший объём.

Представьте цилиндр с подвижным поршнем: газ остывает, поршень сдвигается внутрь. Газ никуда не уходит — просто занимает меньше места. У шара вместо поршня упругая мембрана: она тоже меняет положение, но при этом сопротивляется растяжению.

Меньше места — ещё не меньше гелия.

В тепле газ снова расширяется, и оболочка постепенно расправляется. Поэтому сморщенный шарик после прогулки ещё не повод считать испорченным. Если причина только в охлаждении, согревание вернёт ему прежнюю форму.

Почему шарик может опуститься

Подъёмная сила равна весу воздуха, который вытесняет шар. Чем больше объём, тем больше воздуха он вытесняет. Если вес вытесненного воздуха превышает общий вес оболочки и гелия, шар поднимается. При охлаждении без утечки масса самого шарика с газом не меняется.

Если охладить только шар, оставив воздух вокруг тёплым, его объём уменьшится. Он вытеснит меньше воздуха, и подъёмной силы может не хватить, чтобы удержать его вес. Такое опускание показывают в опыте с локальным охлаждением гелиевого шара жидким азотом.

Но на улице остывает и воздух.

При одинаковом давлении холодный воздух плотнее тёплого: каждый вытесненный литр весит больше. Если гелий и воздух имеют одинаковую температуру, давления почти равны, а оболочка свободно меняет объём, эти изменения могут почти компенсировать друг друга. Шар меньше, но окружающий воздух плотнее.

Вот удивительная деталь: один лишь мороз не обязательно заставляет герметичный шар опуститься. Смотреть только на его размер недостаточно — важна и плотность воздуха вокруг.

Что проверить, прежде чем винить утечку

Посмотрите на шарик после возвращения в помещение. Если он постепенно расправляется, это похоже на обратимое сжатие. Дайте ему время: согреться должны и газ, и оболочка. Если шар остаётся маленьким или продолжает терять форму, одной температурой это объяснить сложнее.

Здесь важно различать три процесса:

Обратимое сжатие: гелия столько же, но из-за холода объём шара уменьшился.
Утечка: количество гелия сокращается, поскольку газ может проходить через латекс.
Потеря подъёмной силы: она зависит от объёма, плотности воздуха и веса оболочки с гелием.

Совпадение ещё не объясняет причину.

Связка «мороз — шарик ниже» сама по себе не доказывает утечку. Сравните его размер до выхода и после согревания в комнате. Если форма вернулась, вероятно, причиной был холод. Если нет, стоит учитывать и другие причины: прохождение гелия через латекс — отдельный процесс, при котором газа действительно становится меньше.

Когда простое объяснение даёт сбой

Натянутая резина требует, чтобы давление внутри было немного выше наружного. Поэтому уменьшение объёма и рост плотности холодного воздуха компенсируют друг друга лишь приблизительно. На реакцию настоящего латексного шарика влияют упругость и натяжение оболочки.

У жёсткой герметичной оболочки объём почти не меняется: при охлаждении главным образом падает внутреннее давление. Поэтому аналогия с подвижным поршнем полезна именно для мягкого шара, который может сжиматься. Но она не описывает ни все свойства резины, ни влияние наружного воздуха на подъёмную силу.

Шарик на морозе становится меньше, потому что охлаждённый гелий занимает меньший объём под давлением воздуха и оболочки. Газу для этого не нужно выходить наружу: в тепле герметичный шарик снова расправится.

А замечали, как меняется шарик после возвращения с мороза домой?